如何使用SolidWorksFlowSimulation分析空蚀现象气蚀分析.docx

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如何使用SolidWorksFlowSimulation分析空蚀现象气蚀分析

如何使用SolidWorksFlowSimulation分析孔蚀现象

CavitationinSolidWorksFlowSimulation–

如何使用SolidWorksFlowSimulation分析孔蚀现象

■实威国际/CAE产品事业部

何谓孔蚀现象（Cavitation）

孔蚀现象（Cavitation）也称之为气穴现象、空穴。

当液体进入管路或阀门时如果压力低于流体之蒸发压压力（VaporSaturationPressure），就会在管路或阀门的流道内产生气泡。

这气泡不是因为加热而产生的，而是因为流动造成局部区域流速较快引起局部区域静压骤降，气泡的产生会造成噪音或振动，而且通常是发生在实体表面上，因此会损坏管路或阀门的壁面，进而降低设备的使用寿命。

孔蚀现象也常常发生在其他常见的装置如泵浦、叶轮……等流体机械。

若能透过分析软件在产品设计时间仿真出此现象，则对于产品质量有非常大的保障。

（图一）发生孔蚀现象的涡轮叶片（图片来源:

参考数据2）

（图二）叶轮模型范例，吸入端至吐出端的压力曲线，上方曲线是正常的，下方曲线低于蒸发压力会发生孔蚀现象。

孔蚀现象在SolidWorksFlowSimulation

1.SolidWorksFlowSimulation2006以前版本。

SolidWorksFlowSimulation无法直接模拟出孔蚀现象。

不过，可以藉由分析结果中负压的区域指出有孔蚀现象的区域。

2.SolidWorksFlowSimulation2007之后版本。

SolidWorksFlowSimulation有一项新增功能，可以应用来评估是否发生孔蚀现象。

（图三）在SolidWorksFlowSimulation2007版本之后，在流体流动特性（FlowCharacteristic）中，就可以指定要不要启动Cavitation选项。

使用建议

•若是分析水的流动，在分析的区域中有可能局部区域的静态将低于液体在环境温度下的蒸发压力值或者是液体流过剧烈加热区域使温度上升至沸点而引起孔蚀现象，建议在Wizard或GeneralSettings的Fluid设定页面中启用Cavitation选项。

•孔蚀区域通常在分析过程中发展缓慢，所以有可能在整个孔蚀区域完整发展前就停止运算。

为了要避免这种情形发生，要设定流体平均密度（AverageDensity）在整体运算目标（GlobalGoal）中，而且在运算控制选项（CalculationControlOptions）中调整分析历程（Analysisinterval）至2.5travels。

并且要确认除了运算目标收敛没有其他的运算终止条件。

最简单的方式是选择运算终止条件要所有条件都满足（”Ifallaresatisfied”）。

•要检视孔蚀现象的区域，可以在结果检视时显示参数选择密度（Density）或者气体体积比率（VolumefractionofVapour）。

使用限制及假设

使用SolidWorksFlowSimulation的孔蚀功能会有以下限制以及假设:

•孔蚀功能（Cavitation）目前仅能使用在不可压缩水（incompressiblewater），也就是说使用内建数据库中的WaterSP;而且不能应用在混合液体的计算。

•在相转换区域的温度及压力值应该在以下范围内:

T=277.15-583.15K，P=800-107Pa。

•运算时启用Cavitation选项，当运算终止或者中途中断运算，若要再继续运算，不能再接续运算，一定要重新开始运算。

•在分析的模型中如果没有流入或流出的流动边界条件（flowopenings），不能使用Cavition选项。

•发生孔蚀现象的流体区域的运算网格必须要解析详细。

实例–Cavitationonahydrofoil

此实例中，我们以一个水流管路中的水中翼（Hydrofoil）来模拟孔蚀现象。

（实验及理论数据详见参考数据4）

此实例我们以2D平面流的方式简化模拟。

此水中翼的翼弦0.305m，攻角3.5°。

整个模拟管路运算范围长度2m，高度0.508m。

边界条件设定水流流入流速8m/s，流出为环境压力（EnvironmentPressure），流体为SolidWorksFlowSimulation内建的WaterSP，其余的设定参数使用默认值。

使用局部网格控制（LocalInitialMesh），让孔蚀区域的流体网格解析更详细，总共网格数大约35万。

（图四）孔蚀现象分析实例模型

首先，使用一般的运算方式，先不启用Cavitation选项，环境压力值设定为34975Pa，检视其运算结果。

运算结果的压力值最大值为79687Pa，最小值为-13963Pa（如下图五所示）。

压力最小值为负值，所以很明显地，压力值低于水的蒸发压，这个模型已经存在孔蚀现象，其压力值结果己不符合真实情形，无参考价值。

由密度图（图六）来看，其密度值几乎没有改变。

因为没有启用Cavitation选项，所以程序运算时不考虑相变化情形，都是以液相方式计算，压力值才会失真呈现负值。

（图五）压力值，静压最低值为负值，不符合真实物理现象。

（图六）密度值，几乎不变。

以XYPlot撷取延着水中翼的上部表面的分析结果，如图七、图八所示。

（图七）上表面XYPlot压力值曲线，中间一段区域低于0，不符合真实物理现象。

（图八）上表面XYPlot密度值曲线，几乎不变。

以一般的运算方式，顶多知道有孔蚀现象（Cavitation）发生，若要知道真实的情形，必须启用Cavitation选项。

接着启用Cavitation选项再重新运算。

检视运算结果，压力值最大值为79745Pa，最小值为3701Pa（如下图九所示）。

压力最大值和之前运算的结果一致，但最小值已不再是负值了。

因为有孔蚀现象，所以通常会搭配密度图以及气体体积比率图来看（图十及图十一）。

密度值最大值为987kg/m3，最小值为617kg/m3，有很明显的变化。

气体体积比率最大值为0.38，可看出有很多的气体产生。

（图九）使用Cavitation选项。

压力分布图。

（图十）使用Cavitation选项。

密度分布图。

（图十一）使用Cavitation选项。

气体体积比率分布图。

以XYPlot撷取延着水中翼的上部表面的分析结果。

（图十二）上表面XYPlot压力值曲线，中间一段区域较低，为孔蚀区域。

（图十三）上表面XYPlot密度值曲线，中间一段区域较低，为孔蚀区域。

（图十四）上表面XYPlot气体体积比率值曲线，中间一段区域很高，为孔蚀区域。

孔蚀现象计算分析时，通常会使用一个孔蚀系数σ做为参考依据

此处P∞为流入水的压力，Pv为饱和水蒸发压力（在温度293.2K时是2340Pa），ρ是流入水的密度，U∞是流入水的流速。

下列是以4种不同的孔蚀系数σ值，分析结果的气体体积比率图与实验结果比较图。

（图十五）不同的孔蚀系数分析与实验结果比对。

下图由分析结果的水中翼上表面气体体积比率XYPlot求出孔蚀区域的长度除以上表面长度的比值与孔蚀系数关系表。

（图十六）孔蚀区域长度的分析值与实验值比对。

透过SolidWorksFlowSimulation的孔蚀分析功能，可以更准确的预测出管路或阀门设备中的孔蚀现象，使得设计的产品有更高的可靠性。

[参考数据]:

1.“IntroductiontoFluidMechanics”byJamesE.A.JohnandWilliamL.Haberman

2.Wikipedia:

http:

//en.wikipedia.org/wiki/Cavitation

3.PhysicalTodayonWeb:

http:

//www.aip.org/pt/feb00/maris.htm

4.Wesley,H.B.,andSpyros,A.K.:

Experimentalandcomputationalinvestigationofsheetcavitationonahydrofoil.Presentedatthe2ndJointASME/JSMEFluidEngineeringConference&ASME/EALA6thInternationalConferenceonLaserAnemometry.TheWestinResort,HiltonHeadIsland,SC,USAAugust13-18,1995